Année universitaire 2016 - 2017 TP d'aérodynamique Département Énergie & Fluides 23 et 25 Janvier 2017 Mathieu Jenny & Ophélie Caballina Mines de Nancy Année universitaire 2016 - 2017 Département Énergie & Fluides 23 et 25 janvier 2017 Mathieu Jenny & Ophélie Caballina Version du 13 janvier 2017 Programme et objectifs Ces travaux pratiques (TPs) d'aérodynamique auront lieu à l'école nationale supérieure d'électricité et de mécanique (ENSEM), ci-après. Vous mènerez à bien un TP parmi les trois sujets proposés. À l'aide du délégué, la promotion se répartit en deux groupes A et B de 8 élèves. Dans chacun de ces groupes, vous constituez 2 trinômes et 1 binôme. Chaque sous-groupe choisit un sujet de TP parmi les trois présentés ci-dessous. Le délégué enverra la composition précise des groupes à Ophélie Caballina au plus tard vendredi 20 janvier à 14h00. Le TP sera évalué sur la base de comptes-rendus succincts (6 pages maximum), remis sous forme électronique (mail à Ophélie Caballina) au plus tard mercredi 25 janvier pour le groupe A et vendredi 27 janvier pour le groupe B. Tout dépassement de ces deadlines impliquera un zéro au sousgroupe de TP impliqué. La note de TP comptera pour l'évaluation du module de Mécaniques des Fluides. cf. de facto Emploi du temps Lundi 23 janvier 13h30 - 18h : Groupe A. Mercredi 25 janvier 13h30 - 18h : Groupe B. Chaque groupe commencera le TP avec un décalage de 15 min à partir de 13h30 an de disposer de 4h de TP au total : TP n°1 à 13h30, n°2 à 13h45, n°3 à 14h00. Liste des sujets Sujet de TP Encadrant TP n 1 : Aile d'avion - Mesure de pression M. Jenny TP n 2 : Aile d'avion - Vélocimétrie à l chaud M. Jenny TP n 3 : Étude d'une couche limite par vélocimétrie laser M. Jenny ° ° ° Lieux des TPs Vigipirate : Vos cartes étudiants devraient vous permettre l'accès au hall bâtiment H4. Les TPs auront lieu dans la halle technique de l'école nationale supérieure d'électricité et de mécanique (ENSEM), située sur le campus Lorraine-INP à Brabois. La halle technique de l'ENSEM est le bâtiment parallèle à l'avenue de Bourgogne indiqué ci-dessous avec une èche noire (cette vue a été obtenue grâce à Google Map) : 1 Cette èche noire indique plus précisément l'entrée piétons, en haut d'un petit escalier, que vous pourrez éventuellement utiliser. Vous pouvez aussi accéder à la halle technique en passant par le bâtiment principal de l'ENSEM. Des plans d'accès intérieurs suivent : Bâtiment H4 Salle Jacques MALLET Turbomachines TP 4 Souffleries Plateforme énergie TP 1, 2, 3 WC Electrotechnique Vélocimétrie laser ENSEM Remerciements Nous remercions Ophélie Caballina, maître de conférences à l'ENSEM, pour les sujets de TP et leur encadrement. 2 1 TP 1 : Aile d'avion - Mesure de pression Dans ce TP, seule la détermination de la résultante de forme (eet de la pression) sera traitée. La partie concernant les eorts globaux ne sera pas eectuée en TP mais la méthode de mesure pourra être discutée. 3 2 TP 2 : Aile d'avion - Vélocimétrie à l chaud 9 ETUDE AÉRODYNAMIQUE D'UNE AILE D'AVION I- NOTIONS D'AÉRODYNAMIQUE Lorsqu'une aile est placée dans un écoulement unidirectionnel, et que celle ci présente une incidence i par rapport à la vitesse amont V de l'écoulement, il se développe une résultante aérodynamiqu appliquée au centre de poussée P. Deux composantes de cette résultante peuvent être mises en évidence : - la traînée T, dirigée dans la direction de l'écoulement, relative à la résistance à l'écoulement, - la portance P, ou force de sustentation, perpendiculaire à la direction de l'écoulement. La position relative du centre de poussée P par rapport au centre de gravité permet de définir le moment de tangage. R P V i P T Le profil d'aile Les profils aérodynamiques sont définis par le code NACA, comportant quatre chiffres. La courbure relative est définie par le rapport f/l mesuré au point de flèche maximum et l'épaisseur relative e/l = 2ymax/l est mesurée au maximum d'épaisseur. y A y d Ligne moyenne f B Corde : l y : épaisseur mesurée à partir de la ligne moyenne e=2ymax : épaisseur maximum, -1- Etude Aérodynamique l : corde d : distance entre le bord d'attaque et le point de flèche maximum f : flèche maximum Le code NACA à quatre chiffres est défini par : A1 A2 A3 A4 Exemple : profil 2412 f/l=0,02 ; d/l=0,4 ; e/l=0,12 L'aile complète L'analyse dimensionnelle permet d'établir des coefficients sans dimension relatifs à la traînée, à la portance et au moment de tangage : Cx T 1 SV2 2 Cz P 1 SV2 2 CM M 1 SlV2 2 Ces coefficients dépendent du nombre de Reynolds défini par : Re Vl est la viscosité dynamique de l'air qui dépend de la température absolue T selon la loi de Sutherland : -2- Etude Aérodynamique avec, 0=1,711.10-5 Poiseuilles (USI) et S=110,4K. La masse volumique de l'air évolue avec la température selon la loi des gaz parfaits : Pour T0=15°C et P0=1,013.105 Pa, 0=1,225 kg/m3. II- SOUFFLERIE D'ESSAIS ET INSTALLATIONS EXPÉRIMENTALES La soufflerie La soufflerie utilisée est subsonique de type Eiffel. Elle est constituée de trois parties : un collecteur convergent C, une chambre d'expérience E et un diffuseur divergent D. L'ensemble est placé dans un hall de grandes dimensions à la pression atmosphérique. Un ventilateur V, placé en aval du diffuseur permet de créer une dépression en aval et ainsi de générer l'écoulement. L'air est aspiré au niveau du collecteur ; la vitesse croît graduellement dans le convergent jusqu'à devenir maximum dans la section la plus contractée. L'air traverse la chambre d'expérience, où est installé l'obstacle à étudier, sous forme d'un écoulement uniforme, puis pénètre dans le diffuseur, où il subit une décélération, avant d'être rejeté dans le hall. Le filtre F placé à l'entrée du collecteur permet de contrarier les mouvements tourbillonnaires. Instrumentation de la soufflerie La soufflerie aérodynamique comporte : - une balance trois composantes (Plint and Partner), sur laquelle est montée l'aile et qui permet la mesure des efforts aérodynamiques globaux, - un tube de Pitot, -3- Etude Aérodynamique - une sonde à fil chaud, reliée à un dispositif anémomètrique. Le tube de Pitot Il permet la mesure de la vitesse de l'écoulement. Le tube de Pitot possède deux dispositifs de prise de pression reliée à un manomètre incliné, afin d'accroître le déplacement du fluide manométrique (eau). Un première prise de pression, située face à l'écoulement, permet la mesure de la pression totale Pt où pression d'arrêt. La pression d'arrêt correspond à la pression statique Ps additionnée de l'énergie cinétique du fluide, transformée en énergie de pression au point d'arrêt. Une seconde prise de pression située sur le coté du tube permet la mesure de la pression statique Ps. Ps Ps (Pression statique) Pt h V Pt Ps 1 airV2 2 Montrer que dans des conditions normales de température, on a V 4 h , avec h exprimé en mm et V en m/s. On donne : eau : 1000 kg/m3 air : 1,225 kg/m3 à 15°C g=9,81 m/s2 L'anémomètre à fil chaud Ce dispositif expérimental permet d'obtenir une mesure de la vitesse locale, avec une très bonne résolution temporelle. Son principe consiste à exploiter le transfert de chaleur par convection forcée entre un fil très fin (5m de diamètre), chauffé électriquement (300 °C), et un fluide animé d'une vitesse V par rapport au fil. -4- Etude Aérodynamique Pour des vitesses inférieures à une vitesse V0, la variation de en fonction de la vitesse peut s'écrire : . La quantité de chaleur dissipée par le fil par unité de temps est : où T est la température du fil, T0 la température de l'air, e la tension aux bornes du fil et i l'intensité du courant. La résistance du fil varie linéairement avec la température : La quantité de chaleur dissipée est alors : soit : On utilisera ici un montage dit "à température constante" : la température du fil est maintenue à une température préalablement fixée par un dispositif d'asservissement électronique (voir schéma). La température étant maintenue constante, la tension aux bornes du fil évolue en fonction de la vitesse sous la forme : A' et B' sont à déterminer par un étalonnage préalable. -5- Etude Aérodynamique III- DÉTERMINATION DE LA TRAÎNÉE DE L'AILE Application du théorème de la quantité de mouvement On applique le théorème de la quantité de mouvement sur un contour fermé (S), entourant le profil : V - on considérera que la courbure du profil est suffisamment faible pour que : Vn - on appliquera la conservation du débit sur le contour (S) -6- Vt Etude Aérodynamique - on montrera ensuite que la traînée de l'aile peut s'écrire : T L VV z V 2 z dz IV- MANIPULATIONS Étalonnage du fil chaud On procédera comme suit : - loin de l'obstacle, placer le tube de Pitot au voisinage du fil chaud, - faire varier progressivement la vitesse de l'écoulement dans la soufflerie et mesurer - la vitesse à l'aide du tube de Pitot - la tension e aux bornes de l'anémomètre à fil chaud On effectuera ces mesures pour une dizaine de vitesses. Tracer la courbe e2 en fonction de , à l'aide du logiciel EXCEL et déterminer les coefficients caractéristiques de la droite de régression. Mesure du profil de vitesse en aval de l'aile On dispose d'un profil de type NACA 0012. Donner les caractéristiques de ce profil. - vérifier que l'aile est réglée à l'incidence 0, - placer la sonde à fil chaud environ 0,5 cm au delà du bord de fuite de l'aile, - mesurer la vitesse sur environ 15 mm de part et d'autre de l'aile, pour deux vitesses de l'écoulement amont (15 et 30 m/s par exemple) Le pas de mesure pourra être relativement important au départ, mais il conviendra de serrer les mesures (pas de 0,2 mm) dès l'apparition du creux de vitesse. V- EXPLOITATION DES MESURES On calculera : - la traînée de l'aile pour les deux vitesses amont par intégration numérique (pour cela on utilisera le logiciel EXCEL), - le nombre de Reynolds défini précédemment, ainsi que le coefficient de traînée Cx de l'aile, pour chacune des vitesses amonts. On donne : l : 15 cm ; L: 30,5 cm Conclusion ? ****** **** ** -7- Etude Aérodynamique 3 TP 3 : Étude d'une couche limite par vélocimétrie laser 17